冷作模具钢在TBM滚刀刀圈中的应用研究

王文超，冯欢欢，杨露伟

（1.中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450016；2.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511400）

1 LD钢概述

高强韧性冷作模具钢LD 钢的标准牌号是7Cr7Mo2V2Si，上海材料研究所研制，以美国专利钢SVSCO-DIE 为基础，调整合金元素含量经过真空脱氧而研制成功。该钢具有强度高，韧性好，耐磨损，冷、热加工工艺性能优良等特点，其最大的特点是钢的奥氏体合金化程度高，固溶强化和二次硬化效果显著，使得LD 钢在具有高强度的同时，又具有较好的韧性，这一点非常符合TBM 滚刀的强冲击、大载荷、易磨损等使用要求，所以将LD 钢应用于TBM 滚刀刀圈的研究是非常有必要的。LD 钢的化学成分及物理性能如表1、表2 所示。

表2 LD钢临界温度表

2 将LD钢应用于TBM刀圈工艺分析

2.1 选材

与国内某钢厂定做LD 钢，材质化学成分如表3 所示。

表3 定制的LD钢成分表

2.2 锻造

LD 钢导热性能差，塑性不高，锻造时先轻击，待碳化物破碎后逐步加大锤击力度，锻环时，为防止冲孔开裂，冲头要预热，最后一火锻造温度不超过1 130℃，以防材料组织过热，锻后要及时入坑缓冷，防止锻件开裂（表4）。

表4 LD钢锻造工艺表

如图1 所示，锻后球化退火是为了均匀化组织，减少应力，便于加工。

图1 锻后球化退火工艺图

2.3 热处理及实验性分析

通过不同温度区间的淬火和回火分析（表5），大致得出硬度HRC 随淬火温度的提升而升高，冲击功随淬火温度的提升而下降，硬度HRC 随回火温度的变化而出现不规律变动。

表5 不同淬火、回火温度下LD钢机械性能变化（规格：10mm×10mm×55mm）

经过数据比对及稳定性分析后，最终确定分两组进行刀圈成品的试验，分别是淬火温度1 120℃、回火温度550℃和淬火温度1 130℃、回火温度550℃。

3 LD应用于TBM刀圈使用情况分析

3.1 试验施工现场概况

经对我公司某项目施工现场调研得知，工程范围内主要涉及石英岩、印支期花岗岩、华力西期闪长岩以及断层碎裂岩等，待试验刀具所在施工区间地质情况较为复杂，以Ⅱ类围岩花岗岩为主的地层，石英含量较高并伴随岩爆的情况出现，岩石抗压强度在170MPa 左右，TBM 推力在275～307bar，刀盘转速5.5～6rpm，刀盘贯入度2.6～3.3mm/rer。

试验刀圈参数及使用情况如表6、表7 及图2～图5 所示。

图2 正常磨损刀圈

图3 有小块崩刃刀圈

图4 偏磨刀圈

图5 卷刃刀圈

表6 实验刀圈参数表

表7 试验刀圈使用情况表

从使用情况来看，通过与国内其他厂家刀圈进行对比后，在地层稳定同地层同刀位的情况下，LD 材质刀圈的耐磨性要明显优于同期国内厂家其他材质的刀圈，但在强冲击的环境下，LD 材质刀圈略显韧性不足。

3.2 对已使用刀圈检测并分析

根据GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》和GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》对已使用过的磨损刀圈在接近刃口的部位进行取样，制成10mm×10mm×55mm 的标准试块进行检测分析，根据此次金相组织和晶粒度检测结果，对比前期试块检测结果，晶粒度6～7 级偏粗是导致部分刀圈崩块的主要原因，同时存在成网状分布的二次渗碳体，这就造成刀圈整体脆性增加，冲击韧性降低，在使用过程中承受较大冲击力时就容易造成崩刃现象。

晶粒偏粗的原因分析：晶粒偏粗是由加工过程中温度过高引起，原材料锻造时温度过高、热处理淬火加热过程温度过高均会导致晶粒粗大，刀圈在使用过程中，挤压和冲击的表层产生高温并迅速冷却，次表层组织由于受热影响，形成二次淬火也会造成刀圈内部组织变化。

3.3 解决方案

1）原材料各合金元素合理添加，优化各合金元素之间的配比，最大程度解决偏析的问题，非金属夹杂小于1.5 级保证原材料品质。

2）锻造时，改进锻造工艺，最大程度破坏材料内共晶碳化物网，使材料内共晶碳化物均匀弥散分布，参考标准GB/T 1299-2014、GB/T 14979，共晶碳化物不均匀度不超过5 级越低越好，这样可提高材料的韧性和耐磨性。

3）改进热处理工艺，尽量消除网状碳化物，不能有明显大面积网状碳化物形成，晶粒度不低于9 级（100×），热处理中应避免出现过热导致晶粒粗大，并优化淬火、回火的温度和时间控制。

4）根据LD 材质刀圈使用情况来看，整体韧性略显不足，可增加中频淬火工艺，使刀圈本体从内向工作面纵向形成梯度硬度，达到内软外硬的效果，这样刀圈在使用过程中可吸收碰撞冲击，不易脆性断裂。

4 结论

LD 钢不含贵重金属元素，只要各合金元素之间配比合理，能充分发挥各元素在材料中的作用，那么应用到TBM 刀圈上的性能是非常理想的，在保证现有耐磨能力的前提下，尝试新的热处理工艺解决LD 材质刀圈的韧性问题后，那么TBM 在恶劣工况下施工，刀圈的整体使用寿命会得到明显的提高，LD 材质刀圈造价较之H13 系列材质的刀圈不会高出太多，但是在使用过程中将其高耐磨性的特点发挥出来，能够减少更换刀圈的数量，大大降低了施工成本，有利于后期回收处理时的环境保护和节能减排。